GPUクラスタを用いた分散並列処理による科学技術計算の高速化に関する研究

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20700053
• Research Institution: Shohoku College
• Principal Investigator: 高田 直樹 Shohoku College, 情報メディア学科, 講師 (50290713)
• Keywords: Graphics Processing Unit / General Purpose Computing on GPU / GPUクラスタ / FDTD法 / 計算機合成ホログラム / High-Performance Computing / 分散並列計算 / 計算機システム

Research Abstract

GPUクラスタを用いて大規模な計算資源を必要とする科学技術計算を行い、計算高速化に関する最適化を行うことを目的とする。主に、計算機合成ホログラム(CGH)とFDTD法による電磁界シミュレーションを扱う。GPUクラスタを用いたCGHのリアルタイム再生及びFDTD法等のリアルタイムシミュレーションについて検討する。本年度は、GPUクラスタシステムの構築、及び、1つのGPUによるCGHとFDTD法プログラムの最適化を行った。GPUによるFDTD法の電磁界シミュレーションは、メモリバンド幅がボトルネックとなることが確認された。GPU用FDTD法のプログラムは複雑であるため、単純な数値計算として定常熱伝導方程式を用いて最適化手法を検討した。空間領域の分割を工夫し、GPU上の共有メモリをキャッシュとして用いる独自のアルゴリズムを考案し、CPU(Intel Core2Duo 3.0GHz)に比べ約20倍の計算高速化がなされた。この方法をFDTD法に適用し、さらに計算高速化がなされるように改良した独自のアルゴリズムを考案した。その結果、GPUを用いたFDTD法の電磁界シミュレーションは、CPU(Intel Core2Duo E8400)に比べ、約20倍計算高速化を実現した。CGHの計算においては、広く利用されているフレネル近似式を用い計算高速化を行った。1つのGPUによる計算高速化においてループアンローリングが有効であり、さらに独自のGPUのスレッドブロックの割り当て方を考案した。その結果、解像度1,400×1,050、物体点数1024点においてCPU(Intel Core2Duo 3.0GHz)に比べ、1000倍以上の計算高速化がなされ、リアルタイム再生が可能であることが確認された。

Research Products

• [Journal Article] A GPU Implementation of the 2-D Finite-Difference Time-Domain Code using High Level Shader Language (2008)
  • Author(s): Naoki Takada, Nobuyuki Masuda, Takashi Tanaka, Yukio Abe, Tomoyoshi Ito
  • Journal Title: Applied Computational Electromagnetics Society Journal VOl.23, No.4 Pages: 309-316
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 統合型シェーダを搭載したGPUによる二次元FDTD法差分計算の高速化 (2008)
  • Author(s): 高田直樹, 滝沢努, 宮兆〓, 増田信之, 伊藤智義, 下馬場朋禄
  • Journal Title: 電子情報通信学会論文誌 VOl.J91-D, No.10 Pages: 2562-2564
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GPUを用いた2次元定常熱伝導方程式の数値計算高速化 (2008)
  • Author(s): 高田直樹, 滝沢努, 増田信之, 伊藤智義
  • Journal Title: 第7回情報科学技術フォーラム講演論文集 第1分册 Pages: 23-24
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GPUによる計算機合成ホログラムの高速化 (2009)
  • Author(s): 丹羽雅史, 岡田直久, 荒井大輔, 増田信之, 伊藤智義, 白木厚司, 高田直樹, 下馬場朋禄
  • Organizer: 平成20年度第6回情報処理学会東北支部研究会
  • Place of Presentation: 山形大学工学部
  • Year and Date: 2009-03-09
• [Presentation] GPUクラスタを用いた回折計算の高速並列計算システム (2009)
  • Author(s): 佐々木昇平, 下馬場朋禄, 市橋保之, 白木厚司, 中山弘敬, 杉江崇繁, 高田直樹, 増田信之, 伊藤智義
  • Organizer: 平成20年度第6回情報処理学会東北支部研究会
  • Place of Presentation: 山形大学工学部
  • Year and Date: 2009-03-09
• [Presentation] A real-time color electroholographic display system using the space-division method and the GPU cluster (2008)
  • Author(s): Tomoyoshi Shimobaba, Tsubasa Nakajima, Atsushi Urayama, Takuho Sanbei, Yasuyuki Ichihashi, Yukio Abe, Hirotaka Nakayama, Nobuyuki Masuda, Atsushi Shiraki, Naoki Takada, Tomoyoshi Ito
  • Organizer: The 15th International Display Workshop
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2008-12-04
• [Presentation] Fast calculation system for diffraction integrals using a GPU cluster and the GWO library (2008)
  • Author(s): Syohei Sasaki, Tomoyoshi Shimobaba, Yukio Abe, Atsushi Shiraki, Yasuyuki Ichihashi, Hirotaka Nakayama, Nobuyuki Masuda, Takashige Sugie, Naoki Takada, Tomoyoshi Ito
  • Organizer: 2008 Tohoku-Section Joint Convention of Institutes of Electrical and Information Engineers
  • Place of Presentation: 日本大学工学部
  • Year and Date: 2008-08-21
• [Presentation] GPUを用いた波動光学計算用ライブラリGWOライブラリの開発とその応用 (2008)
  • Author(s): 下馬場朋禄, 三浦潤也, 佐藤芳邦, 阿部幸男, 白木厚司, 市橋保之, 中山弘敬, 増田信之, 杉江崇繁, 高田直樹, 伊藤智義
  • Organizer: 3次元画像コンファレンス
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2008-07-11